典型的电容测量方法包括:
a.“直接”方法,首先按照规定的时间长度用特定的电流源对待测电容器充电,然后测量该电容器两端的电压。这种方法需要小电流、高精密电流源和高输入阻抗才能测量出电压。
b.首先用待测的电容器构成一个RC振荡器,然后测量时间常数、频率或周期。这种方法很简单,但是通常不能达到高精度。
c.测量待测电容器的交流(AC)阻抗。用一个正弦波信号源激励该电容器,然后测量该电容器的电流和电压。使用四线制连接到该电容器,使用比例测量方法,用一个同步解调器提供最精确的结果。但是,这种电路非常复杂而且需要的器件数量多。
∑-ΔADC
a.∑-Δ体系架构
∑-Δ是一种成熟的技术,许多年来一直用于通常要求16 bit或更高分辨率的高性能ADC 。图3给出了工业标准单芯片 - ADC的简化体系结构。电容器的CIN和CREF周期性地切换到电压输入VIN和参考输入VREF,它们将电荷存储到积分器CINT中。比较器检测积分器的输出并控制输入开关的相位以构成闭环反馈环路,从而它使通过电压输入路径和参考输入路径的电荷流动保持平衡。所有闭环反馈环路系统的目的都是为了达到平衡,或者换句话说是实现零误差。这就是∑-Δ ADC要尽力实现的目标。
比较器会输出由‘0’和‘1’组成的码流,它会随着用于环路平衡的电荷量而变化。电荷量与电压和电容成正比。因为电容的值是固定的,所以‘0’和‘1’的密度就表示输入电压(VIN)相对参考电压(VREF)的比率。因此,全‘1’的恒定码流表示满量程,而全‘0’则表示零位或零点。经过后续数字滤波器处理,我们可以得到输入电压转换结果。
这种体系结构的固有特点是高线性度和高精度,但是在分辨率和速度之间会有折衷。为了获得高精度,数字滤波器会花费较长的处理时间。该转换器的分辨率受系统噪声的限制。另外,输出数据速率受到时钟频率的限制,时钟频率取决于开关速度、积分器带宽和比较器建立时间。
b.∑-Δ与电容传感器
标准的∑-ΔADC通过在芯片内的固定电容器和外界输入之间切换实现转换。如果电荷与电压和电容都成正比,在这种情况下既然电容是变化的,那么为什么不使用固定的电压来代替固定的电容?
基于此提出了改进的∑-ΔADC电路。固定输入电压可以看作电压激励源,被移至芯片外的可变电容器可以看作一个电容传感器。结果,输出数据将表示传感器电容相对CREF变化的比率。输入端的电荷是不变电容和可变电容之和。其中,要测量的电容是可变电容。通过芯片内的CAPDAC(这里没有示出),可从电荷反馈环路中减去由不变电容产生的电荷。